Un atome acoustique virtualisé composé de deux haut-parleurs et de deux microphones avec un microcontrôleur externe mettant en œuvre des convolutions numériques rapides. Crédit :Prof. Jensen LI
La lecture d'audio enregistré à partir d'un stockage numérique nous permet de profiter de la musique sans la présence physique d'un instrument de musique pour générer un son résonnant. Dans un domaine apparemment sans rapport appelé métamatériaux, les scientifiques conçoivent différentes structures physiques résonnant également avec le son ou la lumière, pour réaliser de nombreux phénomènes intrigants tels que la réfraction négative et l'invisibilité.
Récemment, des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST), en collaboration avec l'Université nationale de Séoul en Corée, ont réalisé ce qu'ils ont appelé un métamatériau acoustique virtualisé, dans la numérisation de la réponse matérielle à une réponse impulsionnelle stockée dans un programme logiciel. Une telle représentation numérique est courante dans le traitement du signal pour construire des filtres mais maintenant comme une nouvelle application à la science des matériaux. La représentation numérique remplace les structures physiques précédentes, ne laissant qu'une collection de microphones et de haut-parleurs interconnectés avec un microprocesseur principal. La réponse impulsionnelle du métamatériau est désormais simplement un logiciel permettant de générer n'importe quelle onde diffusée avec une dispersion de fréquence sur mesure. En tant que tel, la réponse des métamatériaux peut être rendue arbitraire et ajustée de manière flexible par un simple clic sur un bouton.
Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Communication Nature le 14 janvier, 2020.
"L'approche actuelle de la recherche sur les métamatériaux imite la réponse des atomes naturels par ceux construits artificiellement à l'aide de structures physiques résonantes. Mais cela souffre depuis longtemps d'une limitation selon laquelle la propriété ne peut pas être réglée facilement dans une large gamme et de manière dynamique, " a déclaré le professeur Jensen Li Tsan-Hang du Département de physique, HKUST, qui a dirigé la recherche. « Ceci est particulièrement important pour de nombreuses applications réalistes, comme la furtivité à large bande, qui doit fonctionner dans un environnement dynamique et rigoureux."
L'atome acoustique virtualisé en action. Crédit :Prof. Jensen LI
"Notre travail aborde ce problème et fournit une approche réalisable pour numériser la réponse dans un logiciel. Une représentation numérique d'un métamatériau, en empruntant un concept populaire de réponse impulsionnelle en traitement du signal, la réponse du métamatériau peut être réglée et modifiée par un simple clic de bouton pour changer le logiciel, " a déclaré le professeur Li.
Alors que les métamatériaux ont montré des valeurs commerciales élevées en termes de performances supérieures en matière d'insonorisation, fabriquer des méta-lentilles compactes, etc., une telle technologie de virtualisation ajoutera encore une énorme tunabilité en termes de fonctions, attribuer un autre niveau de sens à "méta, " et permettant aux métamatériaux de faire de la furtivité à large bande, absorption acoustique active, imagerie super-résolution, et au-delà.
« Avec notre approche, on peut facilement entrer dans le régime actif des métamatériaux, en plus de l'accordabilité que nous avons mentionnée. Electronique externe, par rapport aux métamatériaux conventionnels constitués de structures physiques passives, peut toujours fournir de l'énergie aux métamatériaux, " a déclaré le professeur Namkyoo Park, du Département de génie électrique et informatique, Université Nationale de Seoul. "Nous ne sommes pas limités aux métamatériaux qui ne peuvent être qu'une puissance passive ou dissipatrice; toute réponse active peut être spécifiée facilement. Nous le prouvons dans notre travail en réalisant un métamatériau avec une transmission amplifiée beaucoup plus grande que la valeur un."
"En remplaçant la structure physique résonante par un noyau de convolution mathématique de concepteur par un circuit de traitement de signal numérique rapide, nous démontrons un contrôle découplé du module de masse effectif et de la densité de masse des métamatériaux acoustiques à la demande grâce à une dispersion de fréquence définie par logiciel, " a déclaré le professeur Li. "Fournir une amplitude librement reconfigurable par logiciel, fréquence centrale, et largeur de bande de dispersion de fréquence, notre approche ajoute une dimension supplémentaire à la construction non réciproque, non hermitien, et des systèmes topologiques avec une capacité de variation dans le temps comme applications potentielles."
La prochaine étape du groupe de recherche consistera à construire une version beaucoup plus grande des méta-atomes d'un métamatériau, qui permettra aux chercheurs de manipuler davantage les ondes sonores avec des propriétés qui vont au-delà de la génération actuelle de métamatériaux, comme l'invisibilité du haut débit, transmission ou insonorisation extrême non réciproque.
